Para o Polyox WSR N60K o tempo de diluição varia em torno de 10 a 12 minutos, para 400 mg adicionados num bécker de 4 litros, fazendo um cálculo rápido, para preparar toda a solução para a concentração de 100 ppm foram preciso 120 minutos.
Dentre dos polímeros redutores já estudados neste trabalho (Polyox WSR 301 e o Polyox WSR N60K) o Polyox WSR 205 foi o que apresentou menor redução de arrasto. O seu tempo de diluição manteve uma média semelhante ao do Polyox N60K entre 10 e 12 minutos para diluir 400 mg em 4 litros.
O Polyox WSR 301 apresentou resultados melhores que o Polyox WSR N60K. O tempo de diluição para o preparo de cada solução foi reduzido em 35%, isso se deu por o Polyox WSR 301 apresentar melhores propriedades de solubilidade do que os polímeros anteriores.
Na Fig. 6.12, tem-se os resultados da redução de arrasto para concentração polimérica de 100 ppm para os polímeros: Polyox N60K, Polyox 205 e Polyox 301. A medida que a passagem da válvula é reduzida, a redução de arrasto também cai, é perceptível também que quanto maior a concentração polimérica, maior é a redução de arrasto, isso no caso destes polímeros em questão. A Fig. 6.12 nos mostra que à 100 ppm o Polyox 301 é o que apresenta uma maior redução de arrasto, seguido no Polyox N60K e o Polyox 205. O Polyox 301 obteve aproximadamente 29% de redução de arrasto, o Polyox N60K chegou até 25% e por fim o
74
Polyox 205 chegou até 18%. O Polyox 301 confirma o que mostra a literatura, se destacando como um polímero eficiente na redução do arrasto. Uma das vantagens do Polyox quando comparado aos demais polímeros estudados é o alto peso molecular o que faz dele possuir uma maior eficiência em relação aos demais. Em contrapartida sua degradação é mais rápida quando comparado com as poliacrilamida (Bessa, 2008). Bessa em 2008, utilizando uma bancada semelhante e com diâmetro de tubulação 5 vezes menor, utilizou o Polyox 301 e obteve uma redução de arrasto de aproximadamente 35%, o que justifica nosso resultado, que teve uma redução menor, mas que pode ser explicado pelo o aumento do diâmetro da tubulação, uma vez que a redução de arrasto se caracteriza mais eficiente em tubos de menores diâmetros.Figura 6.12 – Redução de arrasto versus as posições da válvula para concentração polimérica de 100 ppm para os polímeros: Polyox N60K, Polyox 205 e Polyox 301.
Fonte: (Autoria própria).
6.4.3 Soluções poliméricas à 50 ppm
Para preparar a solução de 50 ppm foram precisos 60 minutos. A forma de preparo é análoga para todas as soluções preparadas com os Polyoxs. Pela Fig. 6.13, pode-se dizer que a medida em que o número de Reynolds diminui a redução de arrasto também vai diminuindo. A 50 ppm os polímeros tiveram um percentual de redução menor, o que já era esperado. O Polyox 301 obteve uma redução máxima de aproximadamente 19%, seguido do N60K com aproximadamente 17% e o Polyox 205 com aproximadamente 10%. Como a redução vai diminuindo, pode-se concluir que tanto a perda de carga como o fator de atrito
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
Totalmente aberto
Fechado 30°
Fechado 50°
Fechado 70°
Redução de arrasto à 100 ppm
75
vão aumentando a medida que a efetividade da redução diminui, da mesma forma que a medida que a redução aumenta a perda de carga e o fator de atrito diminui. Claro que essa relação não está ligada a uma proporcionalidade infinita, sendo que essa redução vai até um determinado limite de concentração, esse efeito pode ser explicado melhor em (Virk, 1967).O fato do Polyox 301 reduzir mais do que os demais polímeros em estudo para uma mesma concentração, está intrinsicamente ligado ao fato desse polímero possuir um peso molecular maior do que os demais polímeros estudados.
Figura 6.13 – Redução de arrasto versus as posições da válvula para concentração polimérica de 50 ppm para os polímeros: Polyox N60K, Polyox 205 e Polyox 301.
Fonte: (Autoria própria).
6.4.4 Soluções poliméricas à 30 ppm
O tempo de preparado para as soluções de 30 ppm diminui, isso porque a quantidade de polímeros para diluir é menor. Observando a Fig. 6.14, o comportamento se repete, novamente com o Polyox 301 com um maior valor de redução do arrasto, chegando até 9,30%, seguido novamente do N60K e do Polyox 205, com valores de redução de 8,8% e 7,5% respectivamente. Para 30 ppm de acordo com a análise de viscosidade, baseada na literatura, as soluções poliméricas se comportam como fluido newtoniano.
A 30 ppm a ideia que se tem é que a viscosidade das soluções poliméricas se aproxima cada vez mais da viscosidade da água, o que se justifica pelo pequeno percentual de redução que se obtém. Pela Fig. 6.14, a utilização de baixas concentrações para redução de arrasto utilizando os polímeros em questão já não é uma ideia tão atrativa. O que pode ser observado
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
Totalmente aberto
Fechado 30°
Fechado 50°
Fechado 70°
Redução de arrasto à 50 ppm
76
também é que o Polyox 205 a 30 ppm quase não tem redução de arrasto quando fecha-se a válvula em 70°, o que pode-se prevê que este polímero a 10 ppm possivelmente não terá mais efetividade na redução do arrasto.Figura 6.14 – Redução de arrasto versus as posições da válvula para concentração polimérica de 30 ppm para os polímeros: Polyox N60K, Polyox 205 e Polyox 301.
Fonte: (Autoria própria).
6.4.5 Soluções poliméricas à 10 ppm
Pela Fig. 6.15, já pode-se confirmar que não se obtém redução do arrasto com o Polyox 205 em nenhuma das posições trabalhadas, já com o N60K, ao fechar a válvula em 70° já não existe mais redução de arrasto. Isso acontece porque a concentração polimérica está muito baixa e a viscosidade das soluções estão muito próximas da água, então quando eu reduzo a vazão eu altero o número de Reynolds, variável importantíssima na avaliação da redução do arrasto.
Quando a válvula está totalmente aberta o Polyox 301 consegue obter um valor de aproximadamente 5% seguido do N60K com um percentual de 1,67%. Por todo o procedimento experimental o Polyox 301 se manteve à frente dos demais polímeros na redução do arrasto. Veja na página a seguir a Fig. 6.15.
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
Totalmente aberto
Fechado 30°
Fechado 50°
Fechado 70°
Redução de arrasto à 30 ppm
77
Figura 6.15 – Redução de arrasto versus as posições da válvula para concentraçãopolimérica de 10 ppm para os polímeros: Polyox N60K, Polyox 205 e Polyox 301.
Fonte: (Autoria própria).
6.4.6 Soluções poliméricas à 5 ppm
Por fim, observando a Fig. 6.16, o único polímero que obteve redução de arrasto em todas as concentrações e em todas posições trabalhadas foi o Polyox 301. Isso confirma a hipótese de que um fator primordial na redução do arrasto é o peso molecular do polímero, e o Polyox WSR 301 é o polímero de maior peso molecular entre os estudados, consequentemente obteve maior eficiência em todas as concentrações estudadas neste trabalho. Observe também que para o mesmo polímero (Polyox WSR 301), a redução vai diminuindo, isso por influência de outro fator primordial, o número de Reynolds, ou seja, para este caso, o número de Reynolds vai diminuindo e consequentemente também diminui a redução do arrasto. Veja a Fig. 6.16 na página seguinte.
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
Totalmente aberto
Fechado 30°
Fechado 50°
Fechado 70°
Redução de arrasto à 10 ppm
78
Figura 6.16 – Redução de arrasto versus as posições da válvula para concentraçãopolimérica de 5 ppm para os polímeros: Polyox N60K, Polyox 205 e Polyox 301.
Fonte: (Autoria própria).
Após a exposição de todos os resultados da redução de arrasto, conclui-se que o Polyox WSR 301 é o polímero mais eficiente na redução do arrasto dentre dos polímeros estudados. Até em 5 ppm, quando não mais nenhum polímero tem efetividade na redução do arrasto ele se mostra com uma pequena parcela de redução.
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
Totalmente aberto
Fechado 30°
Fechado 50°
Fechado 70°
Redução de arrasto à 5 ppm
79
Capítulo 7
80
Capítulo 7
Conclusões e Sugestões
7.1 Conclusões
No presente trabalho desenvolveu-se um estudo experimental sobre a redução de arrasto através de polímeros sobre uma bancada experimental construída no Laboratório de Mecânica dos Fluidos da UFRN. O intuito do estudo foi analisar o fenômeno da redução de arrasto através da adição de aditivos poliméricos junto a água em diferentes concentrações.
As seguintes conclusões são possíveis de serem estabelecidas para o estudo:
Foi comprovado que a RA é mais eficiente para polímeros de alto peso molecular, confirmando assim o que diz a literatura;
Foi confirmada a hipótese de fluido Newtoniano para todas as soluções poliméricas estudadas;
A redução de arrasto mostrou-se dependente do tipo de polímero, da sua concentração, do peso molecular do polímero e do número de Reynolds;
Os polímeros com peso molecular da ordem de 1000 Da não apresentam redução de arrasto em tubos rígidos, por exemplo, o PEG 4000. Porém o Polyox WSR 301, o Polyox WSR 205 e o Polyox WSR N60K com pesos moleculares da ordem de 106 Da
apresentaram redução de arrasto;
O Polyox WSR 301 se mostrou mais eficiente na redução de arrasto do que os outros polímeros estudados neste trabalho.
Finalizando, esse trabalho mostrou, a ação de polímeros como agentes redutores de arrasto, com exceção do PEG 4000.
7.2 Sugestões
Adquirir uma bomba de maior capacidade, com um rotor de aproximadamente 40 cm de diâmetro e estudar a redução de arrasto através da adição de fibras;
81
Estudar a adição de polímeros em hidrocarbonetos afim de identificar a eficiência depolímeros redutores de arrasto na recuperação de petróleo;
82
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICASALMEIDA, B. B., TAVARES, M. S., & CUNHA, F. R., 1997. Um estudo introdutório sobre
redução de arrasto em escoamento interno turbulento por aditivos. 1-107, Brasília,
Brasil.
ANDREOTTI, Marcelo; CUNHA, Francisco Ricardo da; SOUSA, Aldo João de. Estudo
Teórico e Experimental do Fenômeno de Redução do Arrasto em Escoamentos Turbulentos. IX Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciências Térmicas, Caxambu-MG, v.
747, n. 02, p.1-12, out. 2002.
ANTONOVA, N., LAZAROV, Z., 2004. Hemorheological and hemodynamic effects of high molecular weight polyethylene oxide solutions. Clinical Hemorheology and Microcirculation 30, 381-390.
ARMECHOL – The Elegance Engineers - http://www.dow.com/ucc/amerchol/index.htm.
BESSA, Kleiber Lima. Redução de arrasto por adição de polímeros em escoamento
pulsátil laminar e turbulento em leitos arteriais caudais de ratos normotensos e hipertensos e tubos rígidos. USP. São Paulo. 2008. 158 páginas.
Boletim Técnico da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – BT/PME/0005, 13p. BOTTENBERG, P., CLEYMAET, r., de MUYNCK, C., REMON, J.P., COOMANS, D., MICHOTTE, Y. and Slop, D., 1991. Development and testing of bioadhesive, fluoride-
containing slow-release tablets for oral use. The Journal of Pharmacy and Pharmacology
43(7), 457-464.
DRIELS, M.R., AYYASH, S., 1976. Drag reduction in laminar flow. Nature 259, pp. 389-390.
ESCOAMENTO de um fluido real. Disponível em:
<http://www.deg.ufla.br/site/_adm/upload/file/Hfcontinua2007.pdf>. Acesso em: 04 nov. 2015.
GADD, G.E. Friction reduction. In: ENCYCLOPEDIA OF POLYMER SCIENCE AND TECHNOLOGY. New York, Intersience, 1971 v.l5, p.224-253.
83
GOLD, P.I.; AMAR, P.K. and SWAIDAN, B.E. J. Appl. Polymer Sci., 17(2):333-350, Feb. 1973.GYR, A. & BEWERSDORFF, H. W. Drag Reduction of Turbulent Flows by Additives.
HARRIS, J.M., 1992. Poly(ethylene glycol) chemistry: biotechnical and biomedical
applications. New York: Plenum Press, 385 p.
HARRIS, J.M., CHESS, R.B., 2003. Effect of PEGylation on pharmaceuticals. Nat Rev J.
KALE. D. D. and METZNER. A. B., “Turbulent drag reduction in fiber polymer systems:
specificity considerations,” AIChE Journal, vol. 20, no. 6, pp. 1218–1219, 1974.
KAWAGUCHI, Y. et al., 2002. “Experimental study on drag-reducing channel flow with
surfactant additives – spatial structure of turbulence investigated by PIV system”.
International Journal of Heat and Fluid Flow 23.
KLUWER. JIMENEZ, J. & PINELLI, A. 1999. The autonomous cycle of near-wall
turbulence. J. Fluid Mech. 389, 335–359. 1995.
KULIK, V.M., 2001. Drag reduction change of polyethyleneoxide solutions in pipe flow. Experiments in Fluids 31, 558-566.
LUMLEY, J L. Drag Reduction by Additives. Annual Review Of Fluid Mechanics. Pennsylvania, p. 367-384. jan. 1969.
MAEGAVA, Lídia Maria. Escoamento de Soluções Poliméricas: A redução do
Arraste. 1986. 263 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Mestrado em Engenharia Química,
Unicamp, Campinas, 1986.
MANO, E.B., MENDES, L.C., 2004. Introdução a polímeros. 2 ed. rev. e ampl. – São Paulo: Edgard Blücher.
MCANDREW, T., PAGE, M., SUSAN, A., 1993. Reduction of aqueous fluid drag with
84
PTASINSKI, P.K., NIEUWSTADT, F.T.M., VAN DEN BRULE, B.H.A.A., HULSEN, M.A., 2001.Experiments in turbulent pipe flow with polymer additives at maximum drag reduction.
Flow, Turbulence and Combustion 66, 159-182.
SAVINS, J. G. A stress-controlled drag-reduction phenomenon. Rheologica Acta. 323- 330, 1967.
SCRIVENER, O., KOOP, C., 1977. Influence of polymer solutions on the structure of
turbulence in a pipe. The Phys. Fluid 20, 10.
SELLIN, R.H.J., HOYT, J.W., SCRIVENER, O., 1982. The effect of drag reducing additives
on fluid flows and their industrial applications. Part I, Basics aspects. J. Hydr. Res. 20, 29-
64.
SERGHIDES, T.K., (1984). Estimate friction factor accurately. Chem. Eng. 91 (5), 63–64. SKELLAND, A. II. P. Non-Newtonian flow and heat transfer. New York, John Wiley & Sons, 1967. 469p.
TOMS, B. A. In: first int. Rheological congress, Proc. Part.2, p.135-142, 1948.
USUI, H., KOMODA, Y., 1988. Laser Doppler measurements of turbulence structure in
drag reducing pipe flow with polymer injection. Journal of Chemical Engineering of Japan
21, 134-140.
VILALTA, A. G., ORTIZ, J. P., 2000. Modificações na estrutura de escoamentos
turbulentos em canais devido à adição de polímeros. Mecanismos da redução de atrito.
VILALTA, A. G., ORTIZ, J.P., 1995. Análise da redução de atrito em escoamentos por
adição de polímeros: ensaios experimentais com soluções de poliacrilamida. 103p.
VIRK, P. S. An elastic sub layer model for drag reduction by dilute solutions of linear
85
VIRK, P.S.; MERRILL, E.W.; MICKLEY, H.S. and SMITH.K.A. The Toms phenomenon:turbulent pipe flow of dilute polymer solutions. Journal of Fluid Mechanics, 30(2): 305-328,
1967.
WHITE, A. and HEMMINGS, J. A. G., eds. Drag reduction by additives; review and bibliography. [s.1.p.], BHRA Fluid Engineering, 1976. 181p.
WHITE, D.A. Chem. Engng. Sci., 25 (8): 1255-1258, August 1970.
WHITE, F. Mecânica de Fluidos, 6ª edição, McGraw-Hill, 2008.
WILLEMSENS, Eric. AZEVEDO, Luís Fernando A. Estudo de redução de arraste no
escoamento turbulento de água em duto quadrado ranhurado. Departamento de
Engenharia Mecânica - PUC-Rio Relatório Anual PIBIC 2013.
XUEMING, S., JIANZHONG, L., 2001. Experimental research on drag reduction by
polymer additives. Disponível em: http://fluid.power.net/techbriefs/hanghzau/5_2_5.pdf.